Создание двумерной модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. Спецчасть

1. Постановка задачи ВКР

На предприятии ОАО «НПП «Пульсар» в рамках ОКР (опытно конструкторской разработки) «Фотик-10» разработаны первые в России матричные фото-приемные СБИС на КМОП фотодиодных элементах (КМОП-ФД). Для того, чтобы начать промышленное проектирование серийных образцов КМОП-ФД СБИС, необходимо создать методики моделирования фото-приемной ячейки КМОП-ФД.

Основой проектирования матричных фотоприемных КМОП-ФД СБИС является проектирование фото-приемной ячейки КМОП-ФД, т.е. пиксела. Проектирование пиксела - прежде всего технологическое проектирование. Во время проектирования идет перебор десятков конструктивных вариантов ячеек, другими словами технологических маршрутов. В связи с этим в качестве необходимого инструмента используются средства приборно-технологического моделирования.

Для большого количества конструктивных вариантов необходима быстрая и эффективная модель, дающая возможность оперативного внесения изменений в структуру и получения достаточно точных результатов за приемлемое время. Целью моей работы является создание двумерной модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys) для целей промышленного моделирования.

2. Литературный обзор

История развития КМОП-ФД

Временной интервал появления КМОП-ФД является размытым. После обнаружения фоточувствительности диодных структур и создания фотодиодов появились идеи по реализации на их основе многоэлементных фотоприемников [1]. Основные проблемы возникали при организации считывания сигналов фотодиодов. Первые многоэлементные фотоприемники собирались из отдельных фоточувствительных элементов или изготовлялись на одной подложке путем формирования отдельных фоточувствительных областей методами фотолитографии или резки монокристалла [2]. Для всех фотоприемников с наборными элементами общим недостатком является громадное число выводов (по 2 на каждый элемент), которые необходимо было экранировать.

После появления интегральной технологии стало возможным изготовить матрицу ФД на одном кристалле, в которой для организации считывания использовались ключи на биполярных транзисторах или МОП-транзисторах. Линейные и матричные МОП-ФД приемники начали выпускаться ведущими компаниями (Reticon, Integrated Photomatrix, Hitachi) с 1969 г. Первые линейные МОП-ФД содержали 64 пиксела. Однако уже к 1975 г. были освоены линейные МОП-ФД с числом элементов 256, 512, 768, 1024, 2048, имеющие размеры пиксела от 15 до 50 мкм и частоту считывания выходного сигнала от 3 до 40 МГц. Матричные приборы имели формат от 32х32 до 100х100 пикселов.

В 1980 г. был разработан линейный фотоприемник, содержащий 1024 фотодиода, ключи на МОП-транзисторах и два аналоговых регистра сдвига на ПЗС. Прибор имел размер пикселов 13 мкм [3]. Тогда же стало известно о появлении матричного фотоприемника, содержащего 256х256 фотодиодов с МОП-ключами, в котором выборка строк осуществлялась с помощью цифрового регистра на МОП-транзисторах, а для передачи сигнальных зарядов на выход были использованы два регистра сдвига на пожарных цепочках, являющихся разновидностью ПЗС.

В конце 70-х годов параллельно с разработкой ФПЗС телевизионного формата проводились работы по разработке МОП-ФД самосканирующих матричных фотоприемников. Их разработка сопроваждалась проблемами в основном с устранением влияния засветки на характеристики схем управления и схем считывания на МОП-транзисторах, которые в отличие от ПЗС, нельзя было полностью затенить. Была разработана матрица форматом 320х244 элементов с размером пиксела 27 мкм, в которой был обеспечен антиблуминг, а геометрический шум был снижен до приемлемого уровня [4, 5].

В 1982 г. уже сообщалось о разработке МОП-ФД для цветной камеры [6. 7]. Прибор форматом 484х384, имел размер пиксела по горизонтали - 20 мкм, по вертикали - 34 мкм, цветовой фильтр (синий, зеленый, красный), который формировался с помощью напыления пленки желатина на поверхность фотодиодов. Использован один источник питания 9 В, выходная частота считывания сигналов составляла 1,2 МГц, динамический диапазон - 64 дБ, потребляемая мощность - 35 мВт, разрешение по горизонтали - 360 ТВ линий, по вертикали - 260 ТВ линий, темновой ток был уменьшен до 0,1 нА/см².

Разработки, посвященные созданию на одном кристалле вместе с матричным МОП-ФД цифровых и аналоговых блоков для выполнения предварительной программно-аппаратной обработки изображений, появились в 80-е годы. Так была разработана двухкристальная система для обработки буквенно-цифровых символов, которая конструктивно реализована в виде гибридной микросборки [4]. Первый кристалл содержал матрицу МОП-ФД форматом 64х24 элементов, дешифратор, двоичный счетчик, генератор импульсов, усилители столбцов, пороговые устройства и выходной мультиплексор. На втором кристалле сформирован специализированный процессор, который исправлял дефекты в изображениях символов и распознавал символы. На базе этой системы был разработан ручной читающий автомат.

Отметим, что появившаяся в то время МОП-ФД элементная база была сразу востребована разработчиками систем и нашла применение в контрольно-измерительных устройствах (на конвейерных линиях) и простейших системах распознавания изображений (для автофокусировки оптических объективов, систем космической навигации, распознавания радиолокационных сигналов, автоматической сортировки писем и т.д.) [4].

В 1990-х годах технология КМОП переживала бурный рост. Так например многие технологические гиганты электронной промышленности, такие как Hewlеtt-Paccard, Atmel, Micron (США), работали над производством микросхем статической и динамической памяти для персональных компьютеров на основе технологии КМОП. Степень интеграции этих, относительно просто организованных интегральных схем в то время превысила миллиард транзисторов на кристалле [12].

Таким образом, можно сказать, что КМОП-ФД СБИС появились в результате возросших требований к бытовым, промышленным и научным оптоэлектронным системам, стремлению приблизить характеристики технического и биологического зрения, а также благодаря громадному прогрессу в области КМОП технологии.

Прорыв в КМОП-ФД произошел в 1993 г. в связи с изобретением Эриком Р. Фоссамом технологии Активный пиксел (APS, Active Pixel Sensor) [13]. Введение усилительного каскада в фотоприемную ячейку позволило усилить сигнал на выходе светочувствительной ячейки и одновременно уменьшить геометрический шум.

Уже в 1999 году один из лидеров в области КМОП-ФД компания Photobit Corp. разработала «интеллектуальную» фотоприемную СБИС, которая содержит фотоприемную матрицу форматом 352 х 288 активных пикселов, АЦП, аналоговый и цифровой сигнальные процессоры [9]. Аналоговый процессор выполняет выборку и хранение сигналов, ДКВ, программируемое усиление, аналоговую обработку изображений. Цифровой сигнальный процессор выполняет управление, обработку цветовых сигналов, сжатие изображений.

Обработка сигналов в каждом пикселе имеет следующие достоинства: высокое отношение сигнал/шум, микромощность, возможность обработки изображений в процессе их интегрирования. «Платой» за получение таких возможностей является увеличение числа транзисторов в пикселе и занимаемой ими доли площади соответственно, что приводит к снижению фактора заполнения и удельной фоточувствительности [9].

Появляется такое важное направление, как аналоговая обработка сигналов в каждом пикселе или в группе пикселов, которая позволяет реализовать в реальном масштабе времени классические методы обработки изображений: сжатие, выделение контуров, точечных целей и т.д. [10]. На уровне аналоговых операций возможна реализация однокристальных нейроподобных сетей, обрабатывающих двумерные изображения и реализующих функции искусственного зрения.

Цифровая обработка сигналов изображения требует размещение в каждом пикселе схем АЦП и процессорного элемента с памятью. К началу 2000-х годов реализованы опытные образцы таких КМОП-ФД форматом 640х512 элементов, использующие в каждом пикселе последовательные многоканальные АЦП [11]. Анализ показывает, что практическая реализация таких устройств становится оправданной при проектной норме l_п = 0,13 мкм и ниже. *А-Этап1-Гл1_стр1-5 _история развития*

Основы полупроводниковых фотоприемников

В основе полупроводниковых приборов лежит процесс фотогенерации. Фотогенерация - это процесс, при котором падающий на поверхность полупроводника свет генерирует в ней электрон-дырочные пары. При этом важно ответить, что образование электрон-дырочных пар возможно лишь при поглощении веществом света с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны. Тогда электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, образуя электрон-дырочную пару.

фотоприемник программный моделирование

Рис. 1 Поглощение света и генерация носителей в полупроводнике.

Фотодиод

Фотодиод - это фотоприемное устройство, в основе действия которого лежит фотогальванический эффект. Фотогальванический эффект - это эффект, при котором внутреннее электрическое поле p-n перехода разделяет возникшие под воздействием внешнего излучения фотоносители.

При поглощении фотонов с энергией большей ширины запрещенной зоны, в n-базе на глубине х_О от поверхности полупроводника возникают электрон-дырочные пары, впоследствии диффундирующие вглубь n-области. Ширина n-области такова, что основная часть генерированных фото-носителей не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода, где электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n перехода. При этом дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p-n перехода, генерируя ЭДС. Такой режим работы называется фотогальваническим, и он предполагает, что в цепи фотодиода отсутствует внешний источник напряжения.



Рис. 2 Фотодиод

Режим работы, при котором во внешней цепи фотодиода существует источник обратного напряжения, называется фотодиодным режимом. В этом режиме потенциальный барьер повышается, при этом все фото-носители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока. [13]

Фотозатвор

Альтернативой фотодиодов, обычно используемых в CMOS датчиках, являются фотозатворы. В фотозатворах, фотогенерированные носители захватываются потенциальной ямой, создаваемой напряжением, приложенным на затвор интегрированного МОП конденсатора. Рисунок 3 показывает основную структуру фотозатвора, состоящую из МОП-конденсатора, выполненного тонким слоем поликремния в качестве затвора на верхнем тонком слое изоляции в подложке р-типа.

Рис. 3 Фотозатвор



Фотозатвор преобразует падающие оптические сигналы в зарядовый пакет. Отрицательно заряженные электроны имеют потенциальный минимум под затвором, который называют потенциальной ямой, тогда как дырки поглощаются подложкой вдалеке от затвора. Таким образом, оптически генерируемые носители хранятся в виде зарядов в потенциальной яме под затвором. Этот накопленный заряд, как мера освещенности, передается во внешнюю цепь, чтобы создать напряжение или ток.

Активные сенсоры.

Главным отличием активного сенсора является наличие усилительного каскада. Введение усилительного каскада обеспечивает высокое отношение сигнал/шум, микромощность, возможность обработки изображений в процессе их интегрирования.

Активный пиксел содержит фотодиод (или фоточувствительный затвор) со схемой восстановления (транзистор V1), входом истокового повторителя (V2) и транзистором (V3) выборки строк (рис. 2). Исток транзистора V3 подключен к шине столбца. На выходе шины находится общий (для всех пикселов столбца) нагрузочный транзистор V4.

Рис. 4 Схема активного элемента

НАКОПЛЕНИЕ: на этой стадии импульс сброса R = 0, транзистор V1 закрыт, фотодиод (ФД) накапливает фотогенерированные сигнальные электроны. При этом потенциал на ФД уменьшается и передается на затвор транзистора V2.

СЧИТЫВАНИЕ: после окончания стадии накопления заряда поступает импульс RS = 1, транзистор V3 открывается и транзисторы V2, V3 и V4 образуют истоковый повторитель. На шину столбца передается усиленный по мощности сигнал с фотодиода. Коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя близок к 1.

СБРОС: после окончания стадии считывания подается сигнал RS = 0 и транзистор V3 закрывается. Подается импульс сброса R = 1, транзистор V1 открывается и восстанавливает потенциал ФД до исходного уровня. Начинается накопления зарядов следующего кадра изображения.

Импульс выборки RS = 1 поступает на все пикселы выбранной строки. Считанные сигналы всех элементов выбранной строки передаются на шины столбцов. С помощью дешифратора столбцов последовательно выбираются и поступают на схемы аналоговой обработки сигналы отдельных пикселов.

Фотодиод (рис. 2) можно заменить фоточувствительным затвором (рис. 3), в потенциальной яме которого накапливаются сигнальные заряды. Перед считыванием поступает импульс восстановления R = 1, транзистор V1 открывается и потенциал плавающего узла восстанавливается до начального уровня. Затем поступает импульс передачи, открывается дополнительный затвор, сигнальный заряд перетекает в плавающий узел (освобождая потенциальную яму фоточувствительного затвора) и его потенциал понижается на величину сигнала.

В этой схеме удобно организовать двойную коррелированную выборку (ДКВ), которая практически устраняет шум процесса восстановления. После восстановления потенциала плавающего узла поступает импульс выборки строки RS = 1 и V3 открывается. Начальное напряжение на затворе V2 (с шумом восстановления) через истоковый повторитель (транзисторы V2, V3, V4) передается на шину столбца и запоминается на выходе. Затем поступает сигнальный заряд, напряжение на V2 уменьшается на величину сигнала и также передается на выход. Сигнал определяется как разность напряжений, поэтому начальный уровень и его шумы устраняются.

Недостатком схемы с фотозатворо (рис. 3) является снижение фоточувствительности (из-за меньшей прозрачности затвора) и коэффициента заполнения FF. [14]

Инженерные модели КМОП-ФД.

Инженерные аналитические модели длительности переходного процесса.

Инженерные модели для времени восстановления потенциала фотодиода

Математические модели КМОП оптоэлектронных структур являются основой для создания средств их проектирования. Как правило это системы дифференциальных уравнений, которые дают результат с высокой точностью, однако они слишком сложны и обширны для оперативных расчетов.

Рис. 5 Эквивалентная схема 4Т пиксела во время процесса восстановления потенциала фотодиода и плавающего узла

К примеру, для точного определения длительности переходного процесса восстановления потенциала плавающего узла и фотодиода в четырехтранзисторной фоточуствительной ячейке необходимо численно решить систему дифференциальных уравнений относительно напряжений Uфд и Uпу:



(1)

Для аналитической оценки возможно использование упрощенной, так называемой инженерной модели. Инженерные модели как правило представляют собой формулы, в которых четко видна зависимость левой части от правой. Своей простоте инженерные модели обязаны введению ряда ограничений и упрощений, в связи с чем модель справедлива для очень конкретной ситуации. Инженерная аналитическая модель для длительности переходного процесса восстановления потенциала плавающего узла сводится к формуле:

, (2)

где С - суммарная ёмкость фотодиода и затвора транзистора M2

K - крутизна транзистора M1

- уровень сигнала RESET

- пороговое напряжение транзистора M1

- коэффициент влияния подложки

- потенциал фотодиода

- процент считывания уровня восстановления.

В качестве инструмента при анализе шумов используется аппарат теории случайных процессов



, (3)

где является средним значением случайной переменной, описывающей случайный стационарный процесс и измеренная относительно среднего уровня, ш(X) - плотность вероятности случайной величины Х. Шум характеризуется среднеквадратичным отклонением ?X(t), которое равно корню квадратному из дисперсии . [15]

Инженерные модели шумов.

Шумы подразделяются на внутренние и внешние. Источниками внутренних шумов являются флуктуациями заряда и установочных напряжений, которые возникают при восстановлении потенциала фотодиода c помощью транзистора, и при накоплении заряда и считывании сигнала истоковым повторителем. Источниками внешних шумов являются флуктуации входного потока фотонов, состоящие обычно из сигнальной и фоновой составляющей, а также флуктуации управляющих напряжений, токов и т.д.

Так называемый «геометрический шум» (FPN - fixed pattern noise) характеризует уровень неоднородности многоэлементного фотоприемника. Анализ влияния неоднородностей на характеристики КМОП фото-приемных элементов проводится с помощью других моделей.

Так например описана модель, связывающая темновые токи с геометрией светочувствительной ячейки КМОП-ФД. В модели темновой ток зависит от двух составляющих: темнового тока через p-n переход ( т.е. от концентрации примеси в подложке и температуры обратно смещенного диода) и тока утечки, обусловленного формой активной области ячейки. (ссылка на статью (Active Area Shape Influence on the Dark Current)). [16]

Инженерные модели темнового тока.

Темновой ток обусловлен термогенерацией и диффузией носителей заряда из объема. Термогенерация протекает одновременно с фотогенерацией и, что особенно важно, даже при отсутствии освещения. Темновой ток определяет паразитный темновой заряд, который добавляется к сигнальному заряду и искажает его.

Термогенерация протекает в обедненном слое (ОС) и на поверхности фотодиода, термогенерируемые носители разделяются электрическим полем ОС и определяют основную компоненту темнового тока. Другая компонента темнового тока обусловлена диффузией неосновных носителей из объема p-слоя ФД. [22]

Термогенерация наиболее интенсивно идет через энергетические уровни, расположенные в середине запрещенной зоны полупроводника E_i.

Поверхностная термогенерация дает несущественный вклад в темновой ток, так как поверхность ФД обогащена основными носителями, объемные и поверхностные ловушки заполнены. Носители, образующиеся за счет термогенерации в приповерхностном слое, рекомбинируют и не дают вклад в темновой ток.

Вторым источником темнового тока является диффузия неосновных носителей через обратно смещенный p-n переход. В потенциальную яму ФД будут попадать те электроны из p-подложки, которые генерируются на расстоянии (от границы обедненного слоя) меньше, чем диффузионная длина L_n.

Большое влияние на величину темнового тока оказывает температура. В качестве инженерной оценки можно использовать известную модель:

, (14)

где j_T(T) и j_T(T₀) - значения плотности темновых токов при температурах T и T₀, T- температура удвоения, которая для кремния составляет около 8 градусов.

Инженерные модели функции передачи модуляции и разрешающей способности.

Важной характеристикой любого фотоприемника является функция передачи модуляции (ФПМ). Она определяет его разрешающую способность. Выражение для ФПМ, которое учитывает дискретность расположения элементов и диффузионное расплывание, выглядит следующим образом:

, (4)

где L - длина фоточувствительной области (фотодиода) пиксела, L_y - полупериод входного гармонического пространственного сигнала, - коэффициент поглощения фотонов, x_oc - толщина обедненного слоя, L_n - диффузионная длина электронов, L_k - эффективная длина, зависящая от пространственной частоты. Пусть число пикселей, укладывающихся на полупериоде входного сигнала, равно n_L, тогда 1/n_L - относительная пространственная частота [17].

Так как фотоприемная апертура пиксела имеет разные размеры в горизонтальном и вертикальном направлениях, то значения ФПМ по горизонтали и вертикали также будут отличаться. Моделирование ФПМ (Рис. 6) выполнено для следующих параметров: проектная норма 0,35 мкм, пиксел имеет квадратную форму 8х8 мкм², фотодиод, определяющий апертуру, имеет длину по вертикали 3,5 мкм, по горизонтали - 7,5 мкм, длина канала транзисторов минимальна и равна проектной норме 0,5 мкм, глубина залегания p-n перехода для фотодиода 1 мкм, время интегрирования 100 мс.

Из графика видно, что зависимость горизонтальной ФПМ спадает резче, чем зависимость вертикальной ФПМ. Это связано с тем, что апертура фотодиода по вертикали (3,5 мкм) меньше, чем по горизонтали (7,5 мкм). Данное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании КМОП фотоприемных СБИС, так как ФПМ определяет разрешающую способность - важнейший параметр фотоприемного устройства.

Рис. 6 Зависимости ФПМ по горизонтали () и вертикали ()

Разрешающая способность (разрешение) является важнейшей характеристикой многоэлементных фотоприемных устройств (ФПУ) и определяет качество приема, преобразования и передачи изображений. Различают четыре вида разрешающей способности: пространственная, временная, спектральная, по уровню приема «серых» изображений [18].

Пространственное разрешение - L_пр, выражаемое в метрических единицах длины, определяет способность системы различать мелкие детали изображения. Оно является основным для систем технического зрения, оптико-электронных аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли, микроскопов и т.д. и иначе называется разрешением на объекте. Пространственное разрешение также может быть охарактеризовано разрешающей способностью оптики и фотоприемника - L_фп, выражаемое в числе пар линий (черная и белая) на 1 мм. Оно характеризует предельную пространственную частоту, которую может воспроизвести фотоприемный тракт с заданным уровнем искажений, определяемым величиной ФПМ.

Временное разрешение определяет способность приема и передачи быстро изменяющихся во времени изображений. Например, для ФПУ, работающего с частотой 50 Гц, временное разрешение составляет 20 мс.

Спектральное разрешение характеризует спектральный диапазон ФПУ. Это - УФ, видимый, ИК диапазоны. Для многоспектральных систем могут быть заданы узкие диапазоны (например, 0,7 - 0,8 мкм), в которых должны приниматься изображения.

Разрешение по масштабу «серого» определяет динамический диапазон. Оно зависит от уровня шумов, разрешения АЦП для ФПУ с цифровым выходом и т.д. [15]

Инженерная геометрическая модель КМОП фотоприемного элемента.

Важным параметром КМОП-ФД является фактор заполнения, или FF (fill factor):

FF= S_ФД / S_Э (5)

где S_ФД - площадь фотодиода воспринимающего свет, а S_Э - полная площадь ячейки. В типовых КМДП-ФД интегральных схемах FF составляет всего 0,3-0,4. Чем больше FF, тем выше чувствительность прибора.

Переменными параметрами топологии пиксела, определяющими FF, являются значения ширины каналов W1, W2, W3 для транзисторов V1, V2, V3. Ограничениями являются: времена считывания и восстановления, отношение сигнал/шум, предельный спад горизонтальной и вертикальной ФПМ, размеры пиксела, которые связаны с геометрическими размерами транзисторов и размерами управляющих шин, проходящих через элемент. На рисунок 7 представлена топология КМОП-ФД пиксела 4Т для проектной нормы 0,5 мкм. У данной топологии элементы (фотодиод, управляющие транзисторы и шины питания) располагаются максимально плотно, но их размеры требуют оптимизации. [15]

Рис. 7 Топология КМОП-ФД 4Т пиксела

Одномерные, двумерные и и трехмерные численные модели для КМОП-фотоприемного элемента.

Одномерные модели КМОП-фотоприемных элементов базируются на фундаментальной системе уравнений физики полупроводника - ФСУ. Они выводятся из ФСУ путем введения корректных физических допущений, отражающих специфику функционирования конкретного полупроводникового фотоприемного элемента заданных условиях. Для решения уравнений необходимо знать объемное распределение легирующих примесей в приборе N(x,y,z,), входящее в уравнение Пуассона. Оно может быть получено на основании расчета по математическим моделям, описывающих объемные процессы ионного легирования, диффузии и окисления. Эти модели описаны в многочисленных работах и реализованы в специализированных программах анализа, доступных для разработчиков СБИС. В качестве примера можно привести работы [19,20] и один из самых распространенных программных комплексов - систему технологического и приборно-схемотехничесго моделирования TCAD фирмы Synopsys [21].

Одномерные численные модели.

Одномерные математические физико-топологические модели полупроводниковых фотоприемных элементов применимы для приборов, у которых геометрические размеры в плоскости кристалла много больше глубин залегания рабочих областей, сформированных с помощью внедрения легирующих примесей. В таких приборах основные электрофизические процессы протекают строго в вертикальном по отношению к поверхности кристалла направлении. По результатам двумерного физико-топологического моделирования получено, что для фотоприемных элементов, создаваемых на базе КМОП техпроцесса это правило выполняется для фотодиодов, сформированных на основе n-кармана с размерами более 15х15 мкм. Таким образом, одномерные численные модели для современных КМОП-составляют менее 12х12 мкм² , в большинстве случаев не являются адекватными. В тоже время, результаты, получаемые с помощью одномерных численных математических моделей, легко могут быть получены с помощью двухмерных моделей путем моделирования приборов с профилями примеси, неизменными вдоль оси координат, проходящей параллельно поверхности кристалла. Поэтому при необходимости одномерное моделирования проводится с помощью двумерных математических моделей.

Одномерные численные модели используются для расчета фотоэлектирических характеристик КМОП фотоприемных элементов.

· К фотоэлектрическим характеристикам КМОП-ФД относятся:

· Фоточувствительность

· Спектральное пропускание и спектральная чувствительность

· Темновой ток

Для современных многоэлементных фотоприемников чувствительность иногда определяется как изменение выходного напряжения (мВ) при заданном времени интегрирования. [15]

Для однокристальных камер с цифровым выходом чувствительность измеряется в цифровом виде и характеризуется числом разрядов, отнесенным к соответствующему параметру входного оптического сигнала.

Монохроматическая чувствительность S_U или S_I определяется как отношение изменения выходного сигнала к изменению энергетической характеристики на заданной длине волны оптического излучения.

При высокой освещенности или большом времени экспозиции выходной сигнал фотоприемника может насыщаться. Поэтому обязательно вводится параметр - напряжение U_нас или ток I_нас насыщения, соответствующий максимальному заряду одного элемента, при котором сохраняется обусловленное качество изображения. Обычно также используется параметр - зарядовая емкость, которая определяется как максимальное количество электронов, накапливаемых в потенциальной яме ФД.

Важную группу составляют параметры, характеризующие неоднородность фоточувствительности. Именно они определяют качество приема и преобразования изображений, особенно при низких уровнях освещенности.

Абсолютная неравномерность выходного сигнала U_c, I_c определяется как разность максимального и минимального значений выходного сигнала многоэлементного фотоприемника по фоточувствительному полю или его части при равномерной засветке.

Относительная неравномерность выходного сигнала U_c, I_c измеряется в процентах (%) и определяется как амплитуда отклонения выходного сигнала к его среднему значению по фоточувствительному полю или его части. Дополнительно может быть введена среднеквадратичная неравномерность.

При отсутствии сигнального излучения параметры фотоприемника характеризуются темновыми сигналами, которые определяются при заданном (в том числе при нулевом) значении фонового потока излучений или фоновой подсветки фоточувствительного поля (секции). Темновой сигнал также характеризуется абсолютной, относительной и среднеквадратичной значениями неравномерности.

Шумы многоэлементного фотоприемника характеризуется квазипиковым и среднеквадратичным значениями. Квазипиковое напряжение или ток шума есть максимальный разброс временной флюктуации темнового сигнала фотоприемника или его части (в том числе одного фоточувствительного элемента) в заданной полосе частот. Соответствующим образом определяются среднеквадратичные значения шумов.

Минимальный (пороговый) уровень излучения, воспринимаемый фотоприемником, определяется при условии, что его выходной сигнал равен среднеквадратичному значению темнового шума. Этот уровень характеризуется пороговыми значениями освещенности, облученности, световой или энергетической экспозиции [19].

Двумерные модели.

Двумерные модели используются для расчета объемных распределений электрических полей, потенциалов и зарядов, что является необходимым для учета физических эффектов, возникающих в фото-приемных элементах с малыми размерами. Эти распределения можно рассчитать только с помощью двумерных и трехмерных моделей, построенных на базе фундаментальной системы уравнений полупроводника. В нее входят уравнения Пуассона и Лапласа и уравнения непрерывности. [23]

Двумерное моделирование также активно используется для оптимизации элементов КМОП-ФД. На основе двумерного анализа для увеличения чувствительности светочувствительной ячейки КМОП-ФД с фотозатвором была предложена конструкция «multifinger», в которой стандартный фотозатвор был заменен несколькими фотозатворами, лежащими поверх светочувствительной области на некотором расстоянии друг от друга. Идея заключается в том, что краевые поля от фотозатворов будут продлевать потенциальную яму за пределы фотозатвора и собирать носители из промежутка между фотозатворами. Благодаря двумерному моделированию были рассчетаны профили распределения краевых полей в структуре, что являлось главным инструментом оптимизации конструкции ячейки. [ 14 ]

Так же двумерное моделирование может использоваться для уменьшения отставания (СМАЗА) изображения. Задержкой изображения называется явление, при котором некоторые сигнальные электроны не могут быть полностью переданы в узел хранения и остаются в регионе фотодиода. Эти электроны впоследствии передаются в последующие кадры как задержка изображения. В этой статье проблема задержка изображения в фотоприемной ячейке смоделирована оптимизирована с помощью двухмерной модеди, созданной в среде ISE-TCAD. Было высказано предположение, что задержка изображения связана с пороговым напряжением Vt на передающем затворе. Путем изменения концентрации примеси в канале, угла введения примеси n-типа и дозы, а так же рабочего напряжения передачи электронного сигнала, были достигнуты оптимальные параметры процесса передачи сигнальных электронов, что позволило уменьшить задержку изображения. [24].

3. Разработка 2D модели структуры КМОП-ФД. Описание подхода

Моделируемая фотоприемная ячейка, разработанная в ОКР «Фотик-10), имеет в своей основе ячейку два с половиной КМОП-ФД «два с половиной транзистора на ячейку» (2,5Т), схема приведена на рисунке 8. Отличительной особенностью данной схемы является общие для двух фоточувствительных элементов транзистор сброса V3, транзистор истокового повторителя V4 и транзистор выборки столбца V5.

Рис. 8 Схема стандартного 2,5Т КМОП-ФД пиксела

Принцип работы фоточувствительной ячейки 2,5Т: 1) Импульс TG1=0, фотодиоды накапливают сигнальный заряд; 2) на затвор транзистора V3 подается импульс R=1, транзистор открывается и потенциал плавающего узда восстанавливается до начального уровня; 3) на затвор транзистора V1 поступает сигнал TG1=1, транзистор открывается и сигнальные электроны попадают в плавающий узел; 4) На транзистор V5 поступает сигнал RS=1, транзистор открывается и сигнальный заряд от первой ячейки передается на шину столбца; 5) После считывания плавающий узел снова восстанавливается, и все описанные выше операции повторяются уже для второй ячейки.

Рис. 7 Топология фотоприемной ячейки КМОП-ФД



4. Разработка модели структуры в системе Sentaurus TCAD (Synopsys)

Моделирование фотоприемной ячейки КМОП-ФД требует создания трехмерной модели, так как в плоскости топологии элементы фотоприемной ячейки имеют разные размеры. Однако трехмерная модель фотоприемной ячейки имеет большие временные затраты на технологическое и электрофизическое моделирование. К тому же, процесс редактирования такой модели довольно трудоемок, что не дает возможности вносить оперативные изменения в структуру.

Для решения поставленной задачи необходимо создать структуру, в которой будут симулироваться процесс накопления заряда фотодиодом, процесс переноса заряда из фотодиода в плавающий узел, и процесс сброса заряда из фотодиода и плавающего узла. На основе имеющейся топологии разработана 2D-структура пиксела, включающая в себя: ПУ, ФД, сток Т4 и истоки Т1 и Т2. (все расстояния между элементами соответствуют топологическому чертежу).

Сечение, структуры, взятое в основу 2D модели, приведено на рисунке 10. Оно состоит из двух взаимно перпендикулярных сечений: сечения фотодиода и сечения транзисторов восстановления, контакта Т4 и плавающего узла. Точка пересечения сечений - это контакт к области Т4, связывающий с ней фотодиод. Так как фотодиод связан с активными элементами ячейки металлическим затвором, мы можем развернуть перемычку вместе с фотозатвором в одну плоскость с активными элементами ячейки.



Рис. 10 Сечение модели на топологии ячейки (черная линия). Линиями зеленого цвета показано, как создано двумерное сечение.

Строя двумерное сечение структуры нужно учитывать то, что в плоскости топологии элементы фотоприемной ячейки имеют разный размер, а следовательно и разную емкость. Для того, чтобы двумерная модель могла учесть размеры областей по третьей координате, необходим инструмент, через который можно было бы регулировать либо размеры областей фотоприемной ячейки, либо их емкость. Учет третьей координаты необходим в областях ПУ и ФД, так как именно их ёмкость влияет на передачу зарядового пакета.

Для реализации поставленной задачи в 2D модели было предложено несколько решений.

Первый вариант - это создание областей таким образом, чтобы ёмкость одной и той же области в плоскости была равна ёмкости той же области в объёме (рисунок 11).

Рис 11 Вариант модели №1

Первый вариант является самым простым в практической реализации. Взяв топологические размеры областей ФД, истока и стока М1, в качестве размера по оси x берется полная площадь каждого элемента. Таким образом емкость каждого элемента переносится в плоскую структуру.

Плюсами данной модели является простое построение структуры, без подключения дополнительных конструкций к ячейки. Минусами же является увеличение размеров модели, а вместе с тем и количества узлов сетки, что приведет к значительному увеличению времени расчетов, а так же невозможность оперативного изменения ёмкости ПУ и ФД.

Второе - подсоединение к областям ПУ и ФД металлических затворов, и формирование с помощью них МОП конденсаторов, которые реализуют ёмкость по третьей координате.

Второй вариант гораздо лучше первого хотя бы потому, что фотодиод становится гораздо более компактным. Для реализации дополнительной ёмкости для ПУ и ФД в модели дополнительно создаются два МОП конденсатора. Они выполняются высоколегированными областями в подложке за пределами активной области, тонким (около 5нм) окисла и двумя металлическими затворами, подсоединенными к областям ПУ и ФД. (Уточнить методы расчета ёмкости МОП-конденсаторов). Регулировать ёмкость такой структуры можно путем изменения физических размеров МОП-конденсатора.

Модель данной ячейки была сделана в качестве тестовой модели (рис. 12). В основу модели легла трех-транзисторная (3Т) ячейка КМОП-ФД с фотозатвором.



Рис.12 Структура прибора, смоделированная в программе Tcad

Плюсами модели является возможность регулирования ёмкости узлов ПУ и ФД, меньший (по сравнению с предыдущим примером) размер модели. Минусом же является не достаточно точная и оперативная регулировка ёмкости областей ПУ и ФД.

Модель №2 является работоспособной. Командные файлы для технологического моделирования и электрофизического моделирования содержаться соответственно в приложении №1 и приложении №2.

Модель №3 представляет собой модель активной ячейки, в которой к областям ПУ и ФД подключены затворы, но в отличии от предыдущего варианта, они не выполнены в виде МОП-транзистеров. Вместо этого они «подвешены в воздухе», и сверху, через тонкий слой окисла (доли нанометра) к каждому из них подсоединены металлические контакты. К этим контактам в свою очередь подключаются «виртуальные» конденсаторы необходимой ёмкости (рисунок 13, 14).

Модель №3 является работоспособной. Командные файлы для технологического моделирования и электрофизического моделирования содержаться соответственно в приложении №3 и приложении №4.

Рис. 13 Модель КМОП-ФД пиксела

Рис. 14 Структура прибора, смоделированная в программе Tcad

5. Сравнительный анализ трех моделей

Удобство использования модели.

В модели №1, не имеющей дополнительных емкостей, процесс изменения величины емкости узла предполагает изменение непосредственно структуры прибора, что требует изменение командного файла технологического моделирования в программе DIOS и перерасчет технологической модели, затем редактирование файла структуры в программе Structure Editor и «прикрепление» к нему рассчитанной ранее в программе DIOS структуры профиля примеси, и только после этого - перерасчет прибора по электрофизической модели.

Модель №2 гораздо экономичнее первой по трудозатратам, однако тоже имеет неудобства: реализованные в ней с помощью редактора структуры Structure Editor, МОП-конденсаторы, подключенные к узлам ПУ и Т4, могут быть изменены только через редактирование файла структуры в этой же программе. Преимуществом модели №2 является отсутствие необходимости изменения командного файла технологического моделирования и последующего перерасчета техпроцесса модели. Однако у данной модели также есть недостаток: дополнительно введенные p+ области делают модель структуры фотоприемной ячейки большой по размерам и числу диффузионных областей, что увеличивает время электрофизического моделирования как вследствие увеличения количества узлов в модели, так и замедления сходимости.

Модель №3 лишена недостатков своих предшественниц. Технологическая модель, равно как и модель структуры в Structure Editor, создаются один раз, и более в процессе эксплуатации не редактируются. Для изменения подключенной к узлу емкости необходимо просто вписать необходимую величину емкости в файл электрофизической модели. Таким образом, отпадает необходимость редактирования файла технологического моделирования для программы DIOS и последующего пересчета технологической модели, отпадает необходимость редактирования файла структуры в программе Structure Editor. Кроме того, модель не имеет дополнительных p+ областей, что делает ее более компактной, а так же обеспечивает большую скорость расчетов электрофизических параметров структуры.

Скорость расчетов.

Скорости расчетов электрофизических параметров для трех моделей представлены в таблице 1. Очевидно, что модель №1, имеющая самые большие размеры структуры из всех трех, имеет самую медленную скорость расчета технологической и электрофизической модели. Размеры трех моделей приведены в таблице 1.

Также, для наглядного сравнения, для трех моделей в таблице 1 приведены примерные значения времен, которые требуются для изменения величины подключенных внешних емкостей. Как видно из таблицы, модель №3 дает возможность мгновенного изменения величины емкости, в отличие от первой и второй модели.

Таблица 1

Временные затраты на расчет электрофизтческих параметров для трех моделей

	Модель №1	Модель №2	Модель №3
Время, требуемое для изменения емкости элемента структуры	Более 30 минут	Около 10 минут	Несколько секунд
Скорость расчетов электрофизических параметров.	Более 60 минут	Около 40 минут	Около 20 минут
Размер модели по оси Х (мкм)	9230	110	90

Создание командного файла для электрофизической модели структуры.

Следующим шагом после создания структуры модели является создание командного файла для электрофизической модели структуры в программе DIOS. В этом файле описывается режим работы прибора, условия его работы, параметры падающего света, точность расчетов и физические явления, учитываемые в модели.

Для корректной работы ячейки была создана временная диаграмма управляющих импульсов (рисунок 15). На основе неё в командном файле были заданы времена подачи импульсов и их величины для каждого контакта.



Рис. 15 Диаграмма управляющих импульсов

В условиях работы была задана температура среды, в нашем случае 250К (Температура была выбрана ранее для изучения темновых токов в модели).

В параметрах падающего света были заданы: длина волны падающего света, мощность в качестве переменного параметра, время освещения структуры светом, а так же ширина пучка света и высота, с которой освещается структура.

Длина волны падающего света была выбрана 535нм, что соответствует максимуму чувствительности в видимом диапазоне света. Мощность света впоследствии варьируется для различных экспериментов. Время освещения поверхности фотоприемного элемента 0,1 секунда. Этого времени достаточно, для накопления заряда фотодиодом, при этом электрофизические параметры рассчитываются достаточно быстро. Для идеализации модели, в фотоприемной ячейке свет падает только на фотодиод, при этом было так же исключено поглощение света поликремневым затвором.

В точности расчетов важным параметром является количество итераций. Чем больше количество итераций, тем выше точность эксперимента.

Для повышения производительности расчеты были разделены на восемь потоков, что позволило сократить время расчетов электрофизических параметров модели.



6. Результаты двумерного моделирования

Результатами расчетов электрофизических параметров структуры стали двумерные распределения потенциала. С их помощью можно увидеть наглядно, каким был потенциал фотодиода и плавающего узла после накопления заряда, и как изменился потенциал после завершения стадии передачи заряда.

В начальный момент времени перед освещением структуры, фотодиод и плавающий узел максимально обеднены, соответственно их потенциал максимален (рисунок 16).

Рис. 16 Двумерное распределение потенциала в момент времени перед освещением структуры

В момент времени t=10e^-3 сек. стадия накопления заряда фотодиодом подходит к концу, соответственно потенциал фотодиода опускается на некоторую величину (рисунок 17).



Рис .17 Двумерное распределение потенциала модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в момент времени t=10e^-3 сек

В момент времени t=10e^-3+80e^-9 стадия передачи заряда из фотодиода в плавающий узел подошла к концу, и потенциалы плавающего узла и фотодиода выровнялись (рисунок 18).

Рис.18 Двумерное распределение потенциала модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в момент времени t=10e^-3+80e^-9 сек.

7. Результаты моделирования свет-сигнальных характеристик

Результатами моделирования стали свет-сигнальные характеристики, построенные для:

· Фотоприемной ячейки без подключенных к ней емкостей.

· Фотоприемной ячейки для ряда виртуальных емкостей, подключенных к ПУ.

· Фотоприемной ячейки для ряда виртуальных емкостей, подключенных к ФД.

Свет-сигнальная характеристика, демонстрирующая работу фотоприемной ячейки КМОП-ФД представлена на рисунке 19. Таблица с данными значений потенциала плавающего узла и фотодиода после окончании стадии передачи заряда из фотодиода в плавающий узел для экспериментов с разной мощностью света приведена в приложении 5. Из графика можно определить линейный участок ССХ, соответствующий освещенностям, создающим, полутоновое изображение, из которого можно определить динамический диапазон фотоприемной ячейки.

Рис. 19 Свет-сигнальная характеристика для фотоприемной ячейки, снятая с ПУ, без подключенных емкостей

График на рисунке 20 демонстрирует ССХ, построенные для моделей с тремя разными емкостями, подключенными к ПУ. Таблицы с данными значений потенциала плавающего узла и фотодиода после окончании стадии передачи заряда из фотодиода в плавающий узел для экспериментов с разной мощностью света приведены в приложении 5. Из графика видно, что при увеличении подключаемой емкости напряжение насыщения плавающего узла увеличивается.

Рис. 20 Свет-сигнальная характеристика для фотоприемной ячейки, снятая с ПУ, для трех разных подключенных емкостей С_ПУ.

График на рисунке 21 демонстрирует ССХ, построенные для трех моделей с разными емкостями, подключенными к Т4 (ФД). Таблица с данными значения потенциала плавающего узла и фотодиода после окончании стадии передачи заряда из фотодиода в плавающий узел для экспериментов с разной мощностью света приведена в приложении 5. Из графика видно, что при увеличении подключаемой емкости напряжение насыщения плавающего узла увеличивается.



Рис. 21 Свет-сигнальная характеристика для фотоприемной ячейки, снятая с ПУ, для трех разных подключенных емкостей С_Т4.

8. Моделирование технологического процесса в программе Sentaurus TCAD (Synopsys)

Для экономии времени было решено моделировать ячейку в два этапа. Для моделирования технологического процесса была использована программа Sentaurus DIOS. Все поверхносные окислы, поликремниевые затворы и контакты созданы в программе Sentaurus Structure Editor.

Structure editor - это программа для создания полупроводниковых структур и для оптимизации сетки для приборного моделирования. На первом этапе в программе Sentaurus Structure Editor была создана модель, состаящая из кремневой подложки, всевозможных поверхностных окислов и поликремневых затворов. Так же в этой программе к структуре были подведены основные контакты: контакт подложки (SUB), контакты СБРОСА (T1, T2), контакт ПЕРЕНОСА (FD), а так же два контакта виртуальных ёмкостей (CVIRT1, CVIRT2). Для расчетов электрофизической модели во всех областях фотоприёмной ячейки задаются сетки, с шагом, достаточным для адекватного обсчета модели.

DIOS - это программа для одно-, двух- и трехмерного моделирования технологических процессов. Она позволяет моделировать травление, ионную имплантацию, все высокотемпературные операции, а именно быстрый термический отжиг, окисление, эпитаксию и предварительные термообработки, а также рост силицида. Моделировать можно как весь технологический маршрут, так и отдельные операции.

Для проведения моделирования в DIOS необходимо создание командного файла, содержащего описание технологического маршрута. Результатами моделирования отдельных операций могут быть профили распределения примесей, значения поверхностных сопротивлений (или поверхностных концентраций), глубины p-n переходов.

Если необходимо моделирования полного технологического маршрута, то из него выделяют структурообразующие операции. В этом случае результатом моделирования будет физическая структура прибора.

Данные командного файла технологической модели для программы DIOS представлены ниже.

1) Создание кремневой подложки p-типа.

1.1) Размеры х=(0 90) у=(-15 0)

1.2) Количество узлов сетки: nx=240 ny=40

1.3) Тип подложки КДБ 4.08е14, (1 0 0)



Рис. 22 Сформированная подложка. Сверху защитный окисел

2) Создание n-слоя фотодиода.

2.1) Нанесение резиста: 2950 нм ( -15 11.3 83.38 100)

2.2) Ионная имплантация: P 5е12 600keV угол=7 поворот пластины=0

P 5е12 600keV угол=7 поворот пластины=180

2.3) Удаление резиста

2.4) Разгонка: 0.25 Т=1100 атмосфера N2

Рис. 23Сформированный n-слой фотодиода

3) Создание p-кармана под контактные области.

3.1) Нанесение резиста: 2950 нм ( -15 0 9.18 100)

3.2) Ионная имплантация: В 5е12 400keV угол=7 поворот пластины0

В 5е12 400keV угол=7 поворот пластины180

3.3) Удаление резиста

3.4) Разгонка: 0.25 Т=1100 атмосфера N2

4)Создание p-слоя фотодиода.

4.1) Нанесение резиста: 2950 нм ( -15 10,8 13,26 15,36 82,88 100)

4.2) Ионная имплантация: BF2 9.375е15 30keV угол=7 поворот пластины=0

BF2 9.375е15 30keV угол=7 поворот пластины=180

4.3) Удаление резиста

4.4) Разгонка: 0.1 Т=1100 атмосфера N2

Рис. 24 Сформированные p+-слой фотодиода и p-карман

5)Создание контактных n+ областей

5.1) Нанесение резиста: 2950 нм ( -15 0 0,42 0,96 2,88 3,48 4,68 5,38 6,58 7,18 8,28 13,83 14,79 100)

5.2) Ионная имплантация: As 1е15 100keV угол=7 поворот пластины0

As 1е15 100keV угол=7 поворот пластины180

5.3) Удаление резиста

5.4) Разгонка: 0.25 Т=1100 атмосфера N2

Рис. 25 Сформированные n+ контактные области.

9. Разработка конструкции МС КМОП-ФД ячеек

Рис.26 Фотоприемные ячейки на кристалле

Рис. 27 Общий вид ячейки 2.5Т

Рис. 28 Фотошаблон для изготовления фотодиодов

Рис. 29. Фотошаблон для изготовления поликремневых затворов

Рис. 30 Фотошаблон для изготовления контактных областей (ионная имплантация мышьяка)



Рис. 31 Фотошаблон для изготовления металлизации первого уровня

Рис. 32 Фотошаблон для изготовления металлизации второго уровня

Рис. 33 Фотошаблон для изготовления металлизации третьего уровня



10. Экологическая часть

Общие положения и требования по обращению с отходами производства, нормирование, государственный учет и отчетность в области обращения с отходами производства, экономическое регулирование, государственный надзор, а так же ответственность за нарушение законодательства РФ в области обращения с отходами, прописаны в федеральном законе «Об отходах производства и потребления». [25]

Ответственность за нарушение установленных правил использования, обращения, учета и хранения изделий, содержащих драгоценные металлы, а так же правил сбора и сдачи в государственный фонд лома и отходов таких изделий, описано в кодексе РФ об административных правонарушениях. [26]

Общие положения об охране окружающей среды, касающиеся обязательных требований к процессам утилизации [ст 2] охраны и рационального использования природных ресурсов [ст 2], приведены в федеральном законе «Об охране окружающей среды». [27]

Моделирование фотоприемной ячейки КМОП-ФД проводилось с помощью ПЭВМ. Работа с ПЭВМ не наносит вред окружающей среде. Так как элементы ПЭВМ содержат пластики, щелочи, стекло, а так же цветные металлы, необходимо при выходе оборудования из строя надлежащим образом утилизировать его. В ходе моделирования фотоприемной ячейки КМОП-ФД вред окружающей среде нанесен не был.

11. Охрана труда

Общие положения об охране труда.

«Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Условия труда - совокупность факторов производственной среды и трудового процесса, оказывающих влияние на работоспособность и здоровье работника.